半椭球和倒半椭球改性半导体纳米线阵列的出色光限制

背景

基于光伏（PV）效应的太阳能发电在过去几十年中取得了显着进步，正在逐步改变全球能源结构 [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。为满足不断增长的光伏电力需求，光伏组件的大规模部署迫在眉睫，同时受到价格相对较高的制约，这主要与市场主导的基于晶硅片的光伏产品材料成本高有关。 11、12、13、14、15、16、17、18、19、20]。尽管基于薄膜的光伏器件具有降低材料成本的巨大潜力，但由于光学厚度有限而导致的光吸收不良是一个大问题，需要通过引入光管理结构来解决，例如抗反射涂层和/或基板纹理，这将导致额外的成本 [21,22,23,24,25,26,27]。

与传统的平面结构不同，纳米结构的半导体太阳能吸收器在光管理和光生载流子收集方面具有优越的性能，因此在包括太阳能电池和光电探测器在内的高性能光电器件的应用中表现出巨大的潜力 [28,29,30 ,31,32,33,34,35,36]。由于相关研究人员的广泛努力，各种半导体纳米结构，如纳米线 (NW) [37,38,39,40,41,42,43,44,45]，纳米锥 [46,47,48,49, 50]、nanopit [51,52,53] 和 nanohemisphere [54, 55] 阵列已经从理论和实验两个方面进行了介绍和研究。光管理模式的影响，包括修改空间折射率以实现抗反射、泄漏模式、引导纵向共振、光散射和表面等离子体共振对光捕获的影响已经被理解并强调了不同纳米结构的不同权重 [56,57,58,59 ,60,61]。然而，每种单独的光管理模式都无法在宽光谱范围内实现有效的光限制，尤其是对于太阳能电池应用。因此，不同光管理模式的组合对于全光谱吸收增强是必要的。同时，考虑到与制造问题相关的担忧，例如需要低成本的高再现性、简单的光吸收体结构。

为了在半导体 NW 阵列的有效厚度有限的情况下实现更有效的光限制，本文介绍了使用半椭球和倒半椭球结构的顶部改性，并系统地研究了光管理行为。由于有效抗反射和光散射的协同作用，与未经修改的 NW 阵列相比，光限制显着增强，有效厚度减小。对于 GaAs NW 阵列的情况，90% 和 95% 的能量大于带隙能量的入射光子可以被具有 ~ 180 和 270 nm 的有效厚度的反向半椭球修改 NW 阵列捕获。此外，进一步的研究表明，相关结构在斜入射下具有出色的光限制。

方法

在这项研究中，在纳米线直径 (D) 的不同结构参数下，研究了优化周期为 600 nm [56, 62] ), 总高度 (H ), 和修改高度 (h )，如图 1b 所示。为了计算麦克斯韦方程，从而计算光学系统的能量通量分布，采用了有限差分时域方法。在单元的侧壁上应用周期性边界条件来构建相关阵列，同时有利于节省计算源和时间。在单元的上下边界，完美匹配层边界用于吸收所有出射光子，从而确定光反射（R ) 和传输 (T ）。然后光吸收 (A ) 根据 A 的关系得到 =1–R –T .

一 半椭球体修改 NW 阵列的示意图，以及 b 用于光学模拟的倒置半椭球修改 NW 阵列的单元。本研究中研究的结构参数是纳米线直径 (D ), 总高度 (H ), 和修改高度 (h ) 如标记

在本文中，采用代表性的半导体光电材料 GaAs 进行研究。考虑到 1.42 eV 的带隙能量和太阳辐射的主要能量区域，研究了 300-1000 nm 光谱范围内的光学行为。为了更定量地比较光学系统的光捕获，归一化理论光电流密度， ^N J 采用 ph 值 [27, 63]，其定义为研究结构的理论光电流密度与 (~ 32.0 mA/cm ² 在 AM 1.5G [64] 光照下 GaAs) 具有相同带隙能量且内量子效率均为 100% 的理想吸收体。

结果与讨论

图 2 总结了 ^N J ph 作为 h 的函数 对于具有 H 的半椭球体和倒半椭球体修饰的 GaAs NW 阵列 (a) 1000、(b) 2000 和 (c) 3000 纳米；和 D 100、300 和 500 纳米。有人注意到 ^N J 所有带有 D 的数组的 ph 100 nm 随着 h 的增加而单调减小 .但是，对于具有较大 D 的此类数组 在 300 和 500 nm 的范围内，除了 D 的情况外，在引入适当尺寸的顶部修饰后，通常可以观察到增强的光限制 =300 nm 和 H =1000nm。此外，NW 越厚，光限制的增强就越显着。值得注意的是，如图 2a 所示， ^N J 对于具有 D 的阵列，有效厚度仅为 ~ 180 和 270 nm 的倒半椭球体修改可以达到 0.90 和 0.95 的 ph =500 纳米，H =h =1000 nm 和带有 D 的阵列 =500 纳米，H =1000 nm 和 h =750 nm，分别。

归一化理论光电流密度 ( ^N J ph) 对于半椭球和倒半椭球修改的 GaAs NW 阵列作为半椭球高度的函数 (h ) 在 a 的不同总高度 1000，b 2000 和 c 3000 纳米。线径 (D ) 分别为 100、300 和 500 纳米。每张图中的红点线和红虚线表示 ^N 的值 J ph分别为0.90和0.95

众所周知，抗反射是 NW 阵列的固有功能，因为与它们的平面晶片/薄膜对应物相比，周围环境（通常是空气）和光学结构的折射率之间的差异减小 [27, 52]。然而，由于通过吸收器的光传输可能增强，因此抗反射不会导致有效的光吸收。在本研究中，带有 D 的数组 100 nm 具有最低的填充率，因此具有最小的有效折射率。尽管这些阵列表现出出色的抗反射性，但透光性非常强，尤其是在长波长范围内（见图 3a），即光子的高密度区域。此外，如图 3a 所示，顶部修饰对抗反射的贡献很小，但导致光透射增强，从而使光吸收变差（见图 3b），导致 ^N J 100 nm NW 直径阵列的 ph 值。此外，有人指出，D 的 NW 阵列的主要光限制机制是 HE11 泄漏模式（参见图 3b 的插图） =100 纳米 [65]。

一 反射/透射和b H 阵列的吸收 =2000 nm 和 D =100 纳米。 c 反射，d 传输和e H 阵列的吸收 =2000 nm 和 D =500nm。 f 使用 D 吸收纯 NW 阵列 100、300 和 500 nm 和 H =2000nm。 b 的插图 显示了HE11模式的电场强度分布，白色虚线圆圈勾勒出导线外围。 f 的插图 展示了带有 H 的纯 NW 阵列的电场强度分布 =2000 nm 和 D =500 nm 在 810 nm 波长处

对于具有较大 D 的 NW 阵列 300 和 500 nm，填充率和有效折射率增加，光反射变得明显，如图 3c 所示。对于这些阵列，使用半椭球和倒半椭球进行适当的修改可以显着减少光反射，从而增强光吸收（见图 3c 和 e）。此外，很明显，可以在广泛的修改高度范围内实现出色的光限制，从而为制造相关的高性能器件提供便利。例如，如图 2b 所示， ^N J 对于具有 350-2000 nm 范围内的倒半椭球体或 600-2000 nm 范围内的半椭球体的 500 nm 直径 NW 阵列，可以实现 0.95 的 ph 值。但是，过度修改（即 h 太大），特别是对于使用倒半椭球的情况，会导致显着增强的光传输和带隙能量周围的光吸收减少，如图 3d 和 e 所示。相应地， ^N 的先增后减 J 观察到相关 NW 阵列的 ph 值（见图 2）。

图 3f 显示了具有 D 的纯 NW 阵列的吸收光谱 100、300 和 500 纳米，以及 H 2000 纳米。很明显，光吸收边缘向长波长移动，同时主要的光管理机制从泄漏模式转变为光散射模式D 增加。此外，对于具有 D 的 NW 在 500 nm 处，可以观察到一些在 800 nm 附近的吸收振荡，这归因于引导的纵向共振，如图 3f 的插图所示。众所周知，作为 D 增加，可以形成引导纵模的阈值/最长波长也增加 [56, 57]。对于长波长光，由于吸收系数较小，沿线轴传播时的振幅衰减比短波长光弱。如果导线长度不太长，来自NW底部的反射波会干扰入射波，形成引导纵向共振。

为了进一步了解顶部修改对光管理的影响，阵列载流子生成率的空间分布（H =2000 nm 和 D =500 nm) 由半椭球体 (h =500 nm) 和倒半椭球体 (h =500 nm) 在 AM 1.5G 光照下如图 4 所示。纯 NW 阵列中 H 的相应分布 和 D 还提供了 2000 和 500 nm 的波长以进行比较。很明显，由于引入适当的顶部改性后增强的抗反射和光散射的协同作用，光生载流子的分布区域扩大了。它与boosted ^N 一致 J 修改后的阵列的 ph/增强光限制，如图 2b 所示。此外，光生载流子分布的扩大有利于载流子收集，特别是对于平面pn 结配置，同时使结构更能容忍体缺陷/较差的材料质量。值得注意的是，与纯 NW 阵列相比，顶部改性还导致表面载流子密度显着增加，需要表面钝化以减少此类阵列的光生载流子表面复合损失 [66, 67]。

阵列在 AM 1.5G 照明下光生载流子生成率的空间分布 (H =2000 nm 和 D =500 nm) 由（左）半椭球体（h =500 nm) 和（中间）倒半椭球体 (h =500 纳米）。 H 纯 NW 阵列中的生成率（右） =2000 nm 和 D =500 nm 用于比较

作为一种优良的吸光体，斜入射下的有效光捕获是必要的。图 5 展示了入射角 α 处的吸收光谱 =0、30 和 60 度 (°) 对于 (a) 半椭球体和 (b) 倒半椭球体修改的 GaAs NW 阵列，其结构参数与图 4 所示的阵列相同。值得注意的是，即使在 α =60°，只能观察到有限的退化，表明两种修改都具有出色的全向光限制。计算的光电流密度，J 这两个阵列的 ph 值总结在图 5a 和 b 的插图中。有人指出，与 J 相比 ph 值 ~ 27.7 和 16.0 mA/cm ² 对于 α 处的理想 GaAs 吸收体 =30° 和 60°，两个修改后的 NW 阵列的相应值仅显示有限的减少。

a的吸收光谱 半椭球体和 b 倒半椭球体修改的 GaAs NW 阵列 (H =2000 纳米，D =500 纳米，并且 h =500 nm) 在入射角 (α ) 的 0、30 和 60°。插图表格总结了理论光电流密度 (J ph) 对于这两个顶部修改的 NW 阵列分别在相应的入射角处

众所周知，对于实验制造的 NW，表面通常不像模拟中采用的那样光滑。为了检查模拟结果对指导实验研究的有效性，对具有正六边形导线横截面的 GaAs NW 阵列的光学特性进行了模拟，并与具有圆形导线横截面的相应 NW 阵列的光学特性进行了比较。图 6 比较了这两种具有相同体积（以圆形 NW 的直径（100、300 和 500 nm）为特征）和 2 μm 线长在 310 nm (4 eV) 光谱范围内的吸收光谱) 到 873.2 nm（1.42 eV，即 GaAs 的带隙能量）。有人指出，在所考虑的光谱范围内，这两种 NW 阵列之间的光学行为没有明显差异。因此，相信从具有圆形线截面的NW阵列得出的模拟结果也适用于具有不同线截面的其他阵列。

GaAs 纯 NW 阵列的吸收光谱与圆形和正六边形线截面的比较。阵列周期和导线长度分别为 600 nm 和 2 μm。相应 NW 阵列的线体积相同，并以圆形横截面 NW 的直径（100、300 和 500 nm）为特征

此外，从上面的讨论中可以看出，用于折射率空间调制的顶部修改和具有匹配特征尺寸的底部结构增强光散射的组合是指导高性能光吸收器设计的易于操作的指南。

结论

在本文中，介绍了使用半椭球和倒半椭球对半导体纳米线进行顶部修饰，以进一步改善相应阵列中的光限制。系统研究表明，由于在引入适当的修饰后改善抗反射和光散射的协同效应，可以在有限的有效厚度下实现高性能光管理。例如，倒半椭球体改性的 GaAs 纳米线阵列可以捕获 90% 和 95% 的入射光子，其能量大于带隙能量，有效厚度仅为 ~ 180 和 270 nm。发现顶部修改的 NW 阵列在很宽的修改高度范围内表现出优异的光捕获能力。同时，与没有顶部修饰的相应纳米线阵列相比，修饰纳米线阵列的光生载流子的空间分布得到扩展，进一步表明光管理得到改善。这将有助于载体收集，特别是对于平面 pn 连接配置。此外，进一步的研究表明，改进的光学结构表现出优异的全向光限制，正如先进的光吸收器所预期的那样。

缩写

J 酸碱度：

光电流密度

^N J 酸碱度：

归一化理论光电流密度

西北：

纳米线

PV：

光伏